DE2340849A1 - Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches system, der vorzugsweise zur ankopplung des symmetrischen ausgangs eines dieffernenzverstaerkers an einen erdasymmetrischen ausgang der schaltung verwendbar ist - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS^ j Belegexemplar DR.-ING. HANS LEYH * j Darf nicht geändert werden

13. August 1973

München 71, Melchiorstr. 42

MO85P-1O27

Unser Zeichen:

Motorola, Inc. 9401 V/est Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.

Die Erfindung betrifft einen Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches System, der vorzugsweise zur Ankopplung des symmetrischen Ausgangs eines Differenzverstärkers an einen erdasymmetrischen Ausgang der Schaltung verwendbar ist.

Die Erfindung betrifft einen Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches System, um die an dem symmetrischen Ausgang eines Differenzverstärkers auftretenden symmetrischen Signale in ein asymmetrisches Signal am Ausgang des Wandlers zu transformieren, wobei von einer ersten Stromversorgungsklemme aus ein Potential einer ersten Amplitude und von einer zweiten Stromversorgungsklenme aus ein Potential einer zweiten Amplitude angelegt wird und an die erste Stromversorgungsklemme eine erste Stromquelle angeschlossen ist, mit der die Steuerelektrode eines elektronischen Elementes verbunden ist.

Fs/ba Es

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Es ergibt sich gelegentlich die Notwendigkeit vielstufige Verstärker zu schaffen, die in der Lage sind Gleichstromsignale oder Signale mit einer niedrigfrequenten Komponente zu verstärken, wobei diese Amplituden aufweisen, die sich langsam in Abhängigkeit von der Zeit ändern. Ein solcher Verstärker wird z.B. für einen Analog-Digitalwandler benötigt, der auf analoge Signale mit gegenläufig ansteigenden und abfallenden Flanken anspricht. Wegen der geringen Änderungsgeschwindigkeit der Signalamplitude sind Kondensatoren mit handlichen Kapazitätswerten kaum in solchen Verstärkern verwendbar, und zwar weder als Koppelkondensatoren noch als Ableitungskondensatoren. Jedoch sind auch Transformatoren zur Entkopplung in der Regel unzweckmässig. Als Folge davon wird eine Verstärkerstufe in der Regel direkt mit dem Verstärkereingang gekoppelt und die Ausgangsklemme jeder Verstärkerstufe direkt mit der Eingangsklenne der nachfolgenden Stufe verbunden. Damit werden die Vorspannungsströiae in jeder Stufe nicht notwendigerweise von den Signalströmen getrennt. Die Entwicklung derartiger gleichstromgekoppelter Verstärker bringt spezielle Probleme mit sich, da man nur eine begrenzte Wahl bezüglich der Vorspannungspotentiale und der Herstellungstechnik hat. Insbesondere transistorisierte Gleichstromvestärker 2eigen wesentlich grössere Schwierigkeiten im Vergleich mit Röhren-Gleichstromverstärkern, da die thermischen Ströme mit den Signalströmen verstärkt werden können.

Differenzverstärker mit zumindest zwei in Differenzschaltung betriebenen Transistoren wurden sehr vorteilhaft für transistorisierte Gleichstromverstärker verwendet. Ein wesentlicher Vorteil derartiger Differenzverstärker besteht darin, dass unter idealen Bedingungen am Eingangwwirkende Gleichtaktsignale das ausgangsseitige Nutzsignal nicht beeinflussen. Jegliches Signal, das die Kollektorströme der beiden in Differentialschaltung betriebenen Transistoren in gleicher Weise anhebt bzw. absenkt» hat keinen Einfluss auf das

- 2 - ausgangsseitige

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ft · · • · a

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ausgangsseitige Nutzsignal, das zwischen den beiden Kollektoren der differenzgeschalteten Transistoren sich ausbildet. Daher beeinflussen die Amplitude des Ausgangssignals auch keine Änderungen des Kollektorleckstromes I_Cq mit offenem Emitter sowie Änderungen der Basis-Emitterspannung V_ßE in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Voraussetzung hierfür ist, dass die in Differenzschaltung betriebenen Transistoren aneinander angepasste charakteristische Werte haben und im wesentlichen auf derselben Temperatur gehalten werden. Damit können thermische Ströme ausgeglichen werden und eine Keiterübertragung der thermischen Einflüsse auf die nächste Stufe wird verhindert.

Differenzverstärker sind besonders zweckmässig für Gleichstromverstärker in integrierter Bauweise. Die Zunahme der Schaltkreiskomponenten bei Differenzverstärkern im Vergleich mit anderen Gleichstromverstärkern beeinflusst nicht in proportionaler Weise den zunehmenden Preis solcher monolithischer Schaltungen. Ausserdem sind aktive Komponenten wesentlich billiger und leichter in monolithisch integrierter Form herzustellen als passive Elemente, sodass es zweckmässig ist, so wenigpals möglich dieser passiven Elemente in einer Schaltung zu verwenden. Die gute Anpassung der aktiven Elemente aneinander lässt sich bei der monolithisch integrierten Schaltung wesentlich leichter erzielen, da alle Schaltkreiskomponenten auf jeder Halbleiterscheibe gleichzeitig hergestellt werden. Vor allen Dingen können Komponenten, die besonders kritisch bezüglich der Temperaturabhängigkeit sind, nahe nebeneinander angebracht werden, sodass die Temperaturänderungen für die Teile im wesentlichen gleich sind. Die Notwendigkeit möglichst auf Kapazitäten bei der Herstellung von integrierten Schaltungen zu verzichten ist ein weiterer Grund, dass ein Gleichstrom-Differenzverstärker von besonderem Vorteil ist, da die Notwendigkeit für die Verwendung von Kapazitäten weitestgehsnd entfällt.

- 3 - Die

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Die Differenzverstärkerschaltung wird als Basisschaltung für viele Breitband-Linearverstärker verwendet, die Signale mit Frequenzkomponenten verstärken, welche zwischen der Frequenz 0 und einer hohen Frequenz liegen.

Symmetrische betriebene Differenzverstärker sind besonders geeignet für die Verstärkung von Eingangssignalen aus symmetrischen Signalquellen, die z.B. aus Brückenschaltungen, aus symmetrischen Obertragungsleitungen oder aus Dehnungsgattern bestehen können» Jede dieser Schaltungen liefert ein symmetrisches Signal, das nicht auf ein Bezugssignal bzw. Masse bezogen ist. Asymmetrische Differenzverstärker sind auch für die Verstärkung von EingangsSignalen geeignet, die auf Masse bzw.auf ein Bezugssignal bezogen sind. Die Ausgangssignale von asymmetrischen und symmetrischen Differenzverstärkern sind in der Regel symmetrisch und können direkt in eine symmetrische Last eingespeist werden, wie sie sich z.B. in Form eines nachgeschalteten symmetrischen Verstärkers ergeben kann. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle,für die es wünschenswert ist,die symmetrischen Ausgangssignale des Differenzverstärkers in asymmetrische Signale umzuwandeln. Hierfür sind Wandler bekannt, die jedoch den Nachteil haben, dass sie häufig die Symmetrie des Differenzverstärkers stören und dadurch dessen, aufgrund der Schaltung günstigen und wünschenswerten Eigenschaften stören.

Insbesondere ist eine Wandlerschaltung für einen symmetrischen in einen asymmetrischen Betrieb bekannt, die erfordert, dass die Basis eines PNP-Transistors mit dem Kollektor des ersten Differenztransistors und die Basis eines NPN-Transistors mit den Kollektor des zweiten Differenztransistors verbunden ist. Daraus ergibt sich, dass der Basisstrom des PNP-Transistors zu de» Kollektorstrom des ersten Differenztransistors addiert und der Basisstrom des NPN-Transistors von dem Kollektorstrom des zweiten Differenztransistors subtrahiert wird. Wenn diese

- 4 - Basisströme

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Basisströme nicht sehr klein sind, was in der Regel sehr schwer zu erreichen oder gar unpraktisch ist, ergibt sich eingangsseitig eineVersetzungsspannung an den Eingangsklemjnen des Differenzverstärkers. Diese Versetzungsspannung ist definiert als die Differenz der Basis-Emitterpotentiale, welche für gleiche Emitterströme in den Differenztransistoren erforderlich sind. Die sich daraus ergebende Stromfehlanpassung der beiden Differenztransistoren, welche in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich ist, verursacht, dass sich die eingangsseitige Versetzungsspannung ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Zusätzlich ändert sich auch der Betrag der Kollektorstrom-Fehlanpassung der Differenztransistoren in Abhängigkeit von der Änderung der Beta-Werte der PNP- und NPN-Transistören, die fehlangepasst sein können, und zwar bezüglich des Beta-Wertes als auch des Temperaturkoeffizienten und somit eine weitere unerwünschte Drift der eingangsseitigen Versetzungsspannung verursachen. ,

Bei der vorausstehend erwähnten und allgemein verwendeten Schaltungskonfiguration für einen solchen Wandler ist der Emitter des NPN-Transistors in der Regel mit Masse verbunden, wogegen der Emitter des PNP-Transistors in der Regel an einem hohen Versorgungspotential liegt. Damit werden die Kollektoren der beiden in Differenzschaltung betriebenen Transistoren auf einem im wesentlichen verschiedenen Ruhepotential gehalten, was bewirkt, dass die Anreicherungszone dieser Transistoren verschieden dick ist. Daraus ergibt sich, dass die Beta-Werte der beiden Transistoren zwangsweise bei diesem bekannten Wandler ungleich sind. Dies wiederum führt dazu, dass die selbstsymmetrierenden Eigenschaften eines Differenzverstärkers beeinträchtigt werden, und das Unterdrückungsverhältnis für Gleichtaktsignale schädlich beeinflusst wird. Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Spannungsamplitude der Gleichtakt-Eingangssignale und der Spannungsamplitude der Eingangssignale unterschiedlicher Signalart, welches zu

- 5 - derselben

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derselben Ausgangsspannung bei unterschiedlicher Signalart führt. Die bekannten Wandler bewirken auch, dass sich die Kollektorspannungen der in Differenzspannung betriebenen Transistoren ungleich in Abhängigkeit von der Auslenkung der Ausgangsspannung ändern und einer Temperaturänderung in entgegengesetzter Richtung folgen, wodurch weitere unvorhersehbare Fehler entstehen. Auch werden bei dem bekannten Wandler Änderungen der Stromversorgung auf das asymmetrische Signal übertragen, womit sich diese Änderungen im Ausgangssignal wiederspiegeln.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Wandler für die Umwandlung von symmetrischen in asymmetrische Signale unter Verwendung von gleichstromgekoppelten Verstärkern, vorzugsweise Differenzverstärkern zu schaffen, die ihre günstigen charakteristischen Eigenschaften bezüglich des Unterdrückungsverhältnisses für Gleichtaktsignale behalten. Dabei sollen sowohl Änderungen der Stromversorgung als auch Änderungen, die durch Temperatureinflüsse bedingt sind, ausgeschaltet werden und die Wandlerschaltung in monolithisch integrierter Bauweise herstellbar sein. Schliesslich soll die Differenzverstärkerschaltung nur einen geringen Strom benötigen, sodass der Differenzverstärker mit sehr kleinen Eingangssignalen ansteuerbar ist und die Signalquelle kaum durch den Verstärkereingang belastet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Differenzverstärker über dine dritte Klemme mit einem Vorspannungspotential beaufschlagbar ist, dass eine zweite Stromquelle vorhanden ist, die mit der ersten Stromversorgungsklemme verbunden ist, dass ein zweites elektronisches Steuerelement mit einer ersten Elektrode mit der ersten Elektrode des ersten elektronischen Steuerelementes verbunden ist und mit seiner Steuerelektrode von dem Vorspannungspotential an der Klemme beaufschlagt ist, dass ein drittes elektronisches Steuerelement mit seiner ersten Elektrode an der ersten

- 6 - Elektrode

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Elektrode des ersten elektronischen Steuerelementes angeschlossen ist und an der Steuerelektrode von dem Vorspannungspotential beaufschlagt ist, dass ein viertes elektronisches Steuerelement mit einer ersten Elektrode am Bezugspotential und mit einer zweiten Elektrode an der ersten Stromquelle liegt» wobei die Steuerelektrode dieses vierten elektronischen Steuerelementes mit der zweiten Elektrode des zweiten elektronischen Steuerelementes und mit der ersten Ausgangsklemme des Differenzverstärkers verbunden ist, und dass ein fünftes elektronisches Steuerelement vorhanden ist, das mit einer ersten Elektrode an der Stromversorgungsklemme liegt und mit einer zweiten Elektrode an die zweite Stromversorgung sowie an die Ausgangsklemme des Wandlers angeschlossen ist» wobei die Steuerelektrode an der zweiten Elektrode des dritten elektronischen Steuerelementes liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen.

Bei einer besonders vorteilhaften Verwirklichung der Erfindung findet ein Wandler für die Umwandlung eines symmetrischen in ein asymmetrisches Signal Verwendung, bei dem das symmetrische Signal am Ausgang eines Differenzverstärkers entsteht und das asymmetrische Signal zur Ansteuerung einer weiteren Stufe benötigt wird. Diese Umwandlung des symmetrischen Signals in ein asymmetrisches Signal erfolgt ohne dass die Symmetrie des Differenzverstärkers beeinträchtigt wird. Dieser Wandler enthält eine erste aktive Last, die zwischen eine erste Klemme des Differenzverstärkers und eine erste Stromversorgung geschaltet ist und ein erstes elektronisches Steuerelement umfasst, das die erste Ausgangsklemme des Differenzverstärkers auf einem bestimmten Spannungsniveau festhält. Ferner ist eine Stromquelle vorgesehen, die einen kontrollierten Strom dem Differenzverstärker zuführt. Entsprechend ist eine zweite aktive Last zwischen die erste

- 7 - Stromversorgungsklemme

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Stromversorgungsklemme und den zweiten Ausgang des Differenzverstärkers geschaltet. Diese zweite aktive Last umfasst eine zweite elektronische Steuereinrichtung, welche die zweite Ausgangsklemme des Differenzverstärkers auf einem bestimmten Spannungsniveau festhält und dafür sorgt, dass eine zweite Stromquelle einen kontrollierten Strom dem Differenzverstärker zuführt. Diese zweite aktive Last ist im wesentlichen gleich der ersten aktiven Last aufgebaut, um das Spannungs- und Stromgleichgewicht in dem Differenzverstärker aufrecht zu erhalten. Ferner ist eine dritte Schaltung vorgesehen, die als Teil der aktiven Last die erste und zweite aktive Last mit dem Verstärkerausgang verbindet und aufgrund ihres Aufbaus nur vernachlässigbar die Symmetrie des Differenzverstärkers beeinträchtigt. Diese dritte Schaltung ermöglicht, dass die symmetrischen, an der ersten und zweiten aktiven Last wirksamen Spannungen gleichzeitig an die Ausgangsklemme des Wandlers angelegt werden und eine asymmetrische Ausgangsspannung bewirken. Ferner trägt diese dritte Schaltung zur Stromkonstanthaltung im Verstärker bei.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Differenzverstärkers mit einem Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches System gemäss der Erfindung;

Fig. 2 das Schaltbild eines direkt gekoppelten Verstärkers mit Differenzstufen und einem Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches System.

- 8 - Der

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Der Differenzverstärker 10 gemäss Fig. 1 umfasst in Differenzschaltung betriebene elektronische Elemente in Form von vorzugsweise bipolaren NPN-Trnnsistoren 12 und 14, deren Emitter über eine Stromquelle 16, die einen Strom I» mit begrenzter Amplitude liefert, an eine Stromversorgungsklemme 18 angeschlossen· ist, an welcher eine negative Versorgungsspannung V- zur Verfügung steht. Die Kollektoren der Transistoren 12 und 14 stellen eine Quelle für ein symmetrisches Signal dar und sind jeweils über eine aktive Last mit einer Stromversorgungsklemme 20 verbunden, an welcher eine positive Versorgungsspannung V+ anliegt. Der Kollektor des Transistors 12 ist mit dem Kollektor des bipolaren PNP-Transistors 22 verbunden und liegt ferner an der Basis eines NPN-Transistors 24. Eine Stromquelle 26, die einen Strom I₁ mit begrenzter Amplitude liefert, liegt zwischen der Stromversorgungsklemme 20 und dem Kollektor des Transistors 24 und ferner an der Basis eines Rückkopplungstransistors Der Kollektor des Transistors 14 ist mit dem Kollektor des PNP-Transistors 30 und mit der Basis eines NPN-Transistors verbunden.

An einer Klemme 34 wirkt ein Vorspannungspotential mit einer Amplitude zwischen V+ und V- auf die Basen der Transistoren 22 und 23 ein. Eine Stromquelle 26, welche einen Strom I₂ mit begrenzter Amplitude liefert, liegt zwischen der Stromversorgungsklemme 20 und dem Kollektor des Transistors 32 sowie der Basis des NPN-Puffertransistors 38. Eine Ausgangsklemme 39 ist mit der Basis des Transistors 38 verbunden. Eine Spannungsquelle 40, die einen Strom begrenzter Amplitude liefert, ist zwischen den Emitter des Transistors 38 und eine Klemme 41 geschaltet, die entweder Massepotential oder ein anderes Bezugspotential liefert. Die Ausgangsklemme 42 liegt am Emitter des Transistors Die Emitter der Transistoren 24 und 32 liegen ebenfalls an dem Bezugspotential der Klemme 41» Wenn diese Schaltung

- 9 - in

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in monolithisch integrierter Form aufgebaut ist, können die Klemmen 18, 20, 34 und 41 als leitende Metallisationsstreifen in bekannter Weise hergestellt sein.

Wahrend des Ruhebetriebs der Schaltung 10 macht die über die Stromversorgungsklenune 20 wirksame positive Spannung die Stromquellen 36 und 26 wirksam, sodass diese nur bis zu einem bestimmten Strom über ihre Ausgangsanschlüsse führen. Ein Teil des Stroms der Stromquelle 26 dient der Basisansteuerung des Transistors 28, um diesen leitend zu machen. Der von dem Transistor 28 geführte Strom und die über die Klemme 34 angelegte Vorspannung macht den Transistor 22 sowie den Transistor 30 leitend, sodass diese entsprechend einen Basisstrom den Transistoren 24 und 32 zuführen und den Kollektorstrom für die in Differenzschaltung betriebenen Transistoren 12 und 14 liefern.

Die Transistoren 24 und 28 sind Teil einer Rückkopplungsschleife, welche zur Einstellung des Stromflusses durch den Transistor 12 in Abhängigkeit von der Einstellung des Vorspannungspotentials an der Klemme 34 dient. Wenn der Transistor 22 versucht mehr als den gewünschten Strombetrag dem Transistor 12 zuzuführen, wird der Transistor 24 mehr leitend und zieht die Spannung an der Basis des Transistors 28 von dem positiven Potential weg. Davon wird der Transistor 28 weniger leitend, sodass weniger Strom von der Stromversorgungsklemme 20 zum Emitter des Transistors 22 fliesst. Folglich führt auch der Transistor 22 den Transistoren 12 und 24 einen geringeren Strom zu. Das Gleichgewicht wird dadurch über die negative Rückkopplungsschleife aufrecht erhalten.

In dynamischen Betrieb der Schaltung sei angenommen, dass das Bezugspotential an der negativen Eingangsklemme 44 wirksam ist, welche an der Basis des Transistors 12 liegt, und

- 10 - dass

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dass ferner eine positive Spannung in der Grössenordnung von einigen Millivolt über dem Bezugspotential an der positiven Eingangsklemme 46 liegt, die mit der Basis des Transistors 14 in Verbindung steht. Die positive Eingangsspannung macht den Transistor 14 leitend, wodurch der von diesem Transistor geführte Strom ansteigt. Dies verursacht ensprechend eine Abnahme des über den Transistor 12 geführten Stroms, da die Stromquelle 16 nur einen bestimmten festliegenden Strom I— akzeptiert. Wenn der Transistor 14 stärker leitend wird, fällt die Kollektorspannung und damit wird die Basisspannung des Transistors 32 negativer was dazu führt, dass der Transistor 32 weniger Strom führt. Als Folge davon nimmt die an die Ausgangsklemme 39 und die Basis des Transistors 38 angelegte Spannung in positiver Richtung zu. Dadurch wird der Transistor 38 stärker leitend, sodass an der Klemme 32 eine Ausgangsspannung wirksam ist, die entsprechend der Amplitude der positiven Eingangsspannung an der Klemme 46 ansteigt*

Wenn die Amplitude der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 46 ansteigt, nimmt die Amplitude des Stromes, der über den Transistor 12 fliesst, ab. Wenn der Transistor weniger leitend wird, steigt die Spannung an der Basis des Transistors 24 in positiver Richtung an und macht diesen Transistor mehr leitend. Auf diese Weise fällt die Basisspannung des Transistors 28, was dazu führt, dass dieser Transistor weniger Strom führt und dadurch weniger Emitterstrom den Transistoren 22 und 30 zuführt. Auf diese Weise wird der Stromfluss durch den Transistor 22 eingestellt, um einen kleineren Strom für den Transistor 12 zu liefern und um vom Transistor 30 weniger Basisstrom zum Transistor 32 zu übertragen. Damit wird durch die Wirkungsweise der Transistoren 12, 22, 24, 28 und 30 der Transistor 32 weniger leitend gemacht, um dadurch eine zusätzliche Vergrösserung der positiven Spannung an der Ausgangsklemme 39 und an der gepufferten Ausgangsklemme 42 zu bewirken.

- 11 - ,In

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In Abhängigkeit von den vorausstehend definierten Zuständen des Eingangssignals leitet der Transistor 14 mehr Strom von der Basis des Transistors 32 ab und führt der Transistor weniger Strom der Basis des Transistors 32 zu. Auf diese Weise nimmt der Basisstrom des Transistors 32 in Abhängigkeit sowohl von der Abnahme der Amplitude des vom Transistor zugeführten Stromes als auch von der durch den Transistor geforderten Zunahme der Amplitude des Stromes ab. Auf diese Weise ist die gesamte Änderung des Basisstroms des Transistors 32 grosser als wenn nur einer der Transistoren 14 oder 30 angeschlossen wäre. Die Schaltung 10 gemäss Fig. 1 bewirkt eine zweimal so grosse Änderung des Stromes des Transistors als der Fall sein würde, wenn der Transistor 30 z.B. nicht alt der Basis des Transistors 32 verbunden wäre.

Andererseits, wenn die Eingangsklemme 46 negativ angesteuert wird,während Masse bzw. das Bezugspotential an der Eingangsklemme 44 liegt, tendiert der Transistor 14 dazu weniger leitend zu werden. Entsprechend wird der Transistor 32 mehr leitend und der Transistor 38 weniger leitend, sodass die Spannungen an den Klemmen 39 und 40 abnehmen. Auch der resultierende Stromanstieg im Transistor 12 bewirkt, dass der Transistor 24 weniger leitend wird. Folglich führt der Transistor 28 mehr Strom und vergrössert dadurch den Stromfluss über den Transistor 30, um ferner die Leitfähigkeit des Transistors 32 zu erhöhen und die Amplitude der Ausgangsspannung an den Klemmen 39 und 42 zu verringern. Damit folgen die Amplituden der Ausgangsspannungen der Amplitude der Eingangsspannung an der Klemme 46. Aus diesem Grund wird die Eingangsklemme 46 auch grundsätzlich als nicht invertierende Eingangsklemme des Verstärkers bezeichnet.

Wenn andererseits das Bezugspotential an der Klemme 46 liegt und die Amplitude der Eingangsspannung an der Klemme 44 abnimmt, wird der Transistor 12 weniger leitend und der Transistor »ehr leitend gemacht, um einen entsprechenden Anstieg der

- 12 - Amplitude

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Amplitude der Ausgangsspannungen zu bewirken. Wenn die Amplitude der Eingangsspannung an der Klemme 44 ansteigt, nehmen die Amplituden der Ausgangsspannungen ab. Aus diesem Grund wird die Eingangsklemme 44 auch als der invertierende Eingang des Verstärkers 10 bezeichnet.

Wenn ein symmetrisches Differenzsignal zwischen den Klemmen 44 und 46 angelegt wird, dann wird die Klemme 46 positiv und die Klemme 44 negativ angesteuert und umgekehrt. Ein positiver Anstieg an der Klemme 46 und ein negativer Abfall an der Klemme 44 arbeiten in der Weise zusammen, dass die Amplitude der Ausgangsspannung in positiver Richtung ansteigt. Entsprechend wird ein sich negativ veränderndes Eingangssignal an der Klemme 46 und ein sich positiv veränderndes Eingangssignal an der Klemme 44 in der Weise zusammenarbeiten, dass die Amplitude der Ausgangsspannung sich in negativer Richtung ändert. Daher ist die Schaltung gemäss Fig. 10 geeignet, einerseits ein asymmetrisches Eingangssignal zwischen der Klemme 46 und Masse zu verstärken, andererseits ein asymmetrisches Eingangssignal zwischen Masse und der Klemme 44 zu verstärken und zu invertieren und andererseits ein symmetrisches Differenzsignal, das zwischen den Klemmen 44 und 46 wirkt, zu vorstärken. In all diesen Fällen ergibt sich zwischen den Ausgangsklemmen 39 oder 42 und dem Bezugspotential ein erdasymmetrisches Signal.

Die Amplitude der Ausgangsspannung an der Klemme 42 folgt der Amplitude der Eingangsspannung an der Klemme 39. Die Pufferstufe mit dem Transistor 38 und der Stromquelle 40 könnte für alle Anwendungsfälle weggelassen werden ausser denjenigen, welche eine hohe Symmetrie erfordern. Besonders hervorzuheben ist, dass thermische Strom- und Spannungsänderungen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen am Transistor 28 gedämpft werden, und über die hohe Impedanz der in Sperrichtung betriebenen Kollektor-Basisstrecke des

- 13 - Transistors

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Transistors 24 an den Kollektor des Transistors 12 angelegt werden. Entsprechend werden thermische Strom- und Spannungsänderungen in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur am Transistor 38 gedämpft und über die hohe Impedanz der sperrvorgespannten Kollektor-Basisstrecke des Transistors an den Kollektor des Transistors 14 angelegt. Daraus ergibt sich, dass thermische Strom- und Spannungsänderungen der Transistoren 28 und 38 dazu tendieren, einander auszugleichen und in der Praxis zu keiner nennenswerten Ausgangsspannung führen. Selbst wenn der Transistor 38 nicht vorhanden wäre, würde die durch den Transistor 28 ausgelöste Asymmetrie für viele Anwendungsfälle bedeutungslos sein.

Wenn der Transistor 38 in der Schaltung gemäss Fig. 1 nicht vorhanden ist, dann kann als aktive Last für den Transistor der Transistor 24 und die Stromquelle 26 und als aktive Last für den Transistor 14 der Transistor 30 und die Stromquelle 36 betrachtet werden. Die Transistoren 22, 28 und 30 dienen der Verkopplung der aktiven last des Transistors 12 über die aktive Last des Transistors 14 mit der Ausgangsklemme 39 des Wandlers.

Wenn der Transistor 38 in der Schaltung gemäss Fig. 1 vorgesehen ist, können die Transistoren 22, 24 und 28 und die Stromversorgung 26 als aktive Last 49 des Transistors 12 betrachtet werden. Entsprechend sind die Transistoren 30, 32 und 38 sowie die Stromquelle 36 als aktive Last 50 für den Transistor 14 zu betrachten. Wie bereits hervorgehoben, bilden diese aktiven Lasten 49 und 50 den Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches System für den Differenzverstärker mit den Transistoren 12 und 14. Da dieL?sten 49 und 50 im wesentlichen symmetrisch in ihrem Aufbau sind, besteht die Tendenz, an den Kollektoren der Transistoren 12 und 14 Gleichtaktänderungen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen und in .Abhängigkeit von Änderungen der Versor-

- 14 - gungsspannung

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gungsspannung an der Klemme 20 auszulösen. Diese Änderungen werden durch das Differenzverhalten der Transistoren 12 und 14 sowie die Wirkungsweise des Wandlers ausgeglichen, sodass sie keinen unerwünschten Einfluss auf die Ausgangsspannung haben.

Im speziellen tendiert der Transistor 24 dazu, den Kollektor des Transistors 12 um einen Diodenabfall über dem Bezugspotential und der Transistor 32 den Kollektor des Transistors 14 um einen Diodenabfall ebenfalls über dem Bezugspotential festzuhalten. Damit wird an den Transistoren 12 und 14 das Kollektorpotential einander gleichgemacht. Einige bekannte Wandler dieser Art tendieren dazu, unterschiedliche Kollektorspannungen an den Differenztransistoren auszulösen, wodurch sich eine gegenseitige Beeinflussung des Beta-Wertes ergibt und sich ein unerwünschter Abfall für das Gleichsignal-Unterdrückungsverhältnis des Differenzverstärkers einstellt.

Wenn die Temperatur des Halbleiterplättchens ansteigt, haben die Änderungen der Basis-Emitterspannungen und der Sättigungsströme der Transistoren der aktiven Lasten 49 und 50 im wesentlichen denselben Einfluss auf die Kollektoren der Transistoren 12 und 14, sodass diese praktisch im Gleichgewichtszustand verbleiben. Überdies gilt, wenn man davon ausgeht, dass die Transistoren 24 und 32 auf dem Halbleiterplättchen nahe nebeneinander angeordnet sind, dass die Basis-Emitterspannung des Transistors 24 und entsprechend auch die Basis-Emitterspannung des Transistors 32 aufgrund eines Temperaturabfalles ansteigt. Damit wird die Kollektorspannung des Transistors 12 sowie des Transistors 14 um denselben Betrag vergrössert, sodass die Beta-Verstärkung der Transistoren 12 und 14 ebenfalls dazu tendiert, um denselben Betrag anzusteigen und sich keine Versetzung der Eingangsspannungen oder keine Stromdrift in Abhängigkeit von der Temperaturänderung ergibt. Eine Änderung der Stromversorgungsspannung an der Klemme 20 aufgrund von

- 15 - z.B.

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z.B. Welligkeit, verursacht denselben Effekt am Kollektor des Transistors 12, wie am Kollektor des Transistors Eine Änderung der Spannung am Kollektor des Transistors tendiert dazu, die Ausgangsspannung des Wandlers in entgegengesetzter Richtung zu verändern als dieselbe Änderung der Spannung ara Kollektor des Transistors 14. Auf diese Weise werden gleiche Änderungen an den Kollektoren der Transistoren 12 und 14 bezüglich des Ausgangssignals ia wesentlichen gegeneinander aufgehoben, d.h. die Unterdrückung sfähigkeit von Gleichtaktsignalen durch den Verstärker und die Wirkungsweise des Wandlers hilft dazu, Änderungen auszugleichen, die sonst eine Änderung der ausgangsseitigen Spannungsamplitude verursachen könnten.

In Fig. 2 ist das Schaltbild eines Verstärkers 53 dargestellt, der in vielen Punkten dem Verstärker IO gemäss Fig. 1 entspricht. Deshalb werden auch gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile und Elemente benutzt. Die Stromquellen 16, 26, 36 und 40 sind aus einem Transistor aufgebaut, bei dem eine Diode zwischen die Basis und den Emitter derart geschaltet ist, dass der Transistor nur bis zu einem bestimmten maximalen Wert Strom liefern kann. Die Diode 54 der Stromquelle 16 bewirkt eine konstante Basis-Emitterspannung für den Transistor 56, wogegen die Diode 57 eine konstante Basis-Emitterspannung für den Transistor 58 der Stromquelle 40 bewirkt. Ein Widerstand 60 ist an den Emitter des Transistors 56 angeschlossen und verursacht, dass die Stromquelle 16 weniger Strom als die Stromquelle führt. Ferner ist eine Diode 62 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 64 der Stromquelle 26 und eine Diode 65 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 66 der Stromquelle 36 geschaltet, um die Basis-Eraitterspannungen dieser Transistoren zu steuern und damit die über die Kollektoren der Transistoren und 66 fliessenden Ströme zu begrenzen. Ein Transistor

- 16 - spricht

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spricht auf die konstante Spannung an der Diode 62 und der Diode 65 an und liefert einen begrenzten Strom an die Basis des Transistors 58 sowie an die Dioden 54 und 57. Ein Widerstand 68 liegt zwischen dem Bezugspotential Masse und der Basis der Transistoren 64 und 66 sowie 67 und bestimmt das Stromniveau der Dioden 62 und 65.

Zwischen den Emittern der Transistoren 22, 28 und 30 und den Basen der Transistoren 22 und 30 liegt ein Widerstand 70, In Serie geschaltete Dioden 72 und 74 sind von den Basen der Transistoren 22 und 30 nach den Emittern der Transistoren 24 und 32 geschaltet. Ferner liegt eine Diode 76 zwischen den Emittern der Transistoren 24 und 30 und der Bezugsklemme 41,an der das Bezugspotential wirksam ist. Die Dioden 42, 44 und 46 stellen einen Stromweg niedriger Impedanz für die Basisströme der Transistoren 22 und 30 dar. Somit bewirken die Dioden 72, 74 und 76, wenn die Frequenz des Eingangssignals bis zu dem Punkt ansteigt, an dem die Beta-Werte der Transistoren 22 und 30 abnehmen, einen niedrigimpedanten Stromweg für den sich vergrösserten Basisstrom, womit die Verstärkung bei hohen Frequenzen begünstigt wird.

Ein Transistor 78 ist zwischen die Transistoren 22 und 24 des Schaltungsaufbaus gemäss Fig. 1 geschaltet. Dieser Transistor 78 ist mit dem Kollektor an die positive Versorgungsspannung angeschlossen und steht mit dem Emitter mit der Basis des Transistors 24 in Verbindung. Seine Basis ist an den Kollektor des Transistors 22 angeschlossen. Entsprechend ist ein Transistor 80 vorgesehen, dessen Kollektor »it der positiven Versorgungsspannung und dessen Emitter an der Basis des Transistors 32 angeschlossen ist, wogegen die Basis dieses Transistors am Kollektor des Transistors 14 liegt. Diese Transistoren 78 und 80 liefern eine zusätzliche Stromverstärkung, um eine Gleichstromsymmetrie

- 17 - selbst

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selbst dann aufrecht zu erhalten, wenn die Stromquelle 16 einen sehr geringen Strom in der Grössenordnung von etwa 2,uA zieht. Zwischen der Basis des Transistors 80 und dem Kollektor des Transistors 32 liegt ein Kondensator 82 und entsprechend liegt ein Kondensator 84 zwischen der Basis des Transistors 78 und dem Kollektor des Transistors 24. Diese Kondensatoren, welche bezüglich ihrer wirksamen Kapazitätswerte durch den bekannten Müller-Effekt eine um ein Vielfaches grössere Wirkung haben, vergrössern den Phasenrand des Verstärkers.

Der Verstärker 53 arbeitet in entsprechender Weise wie der bereits beschriebene Verstärker 10 gemäss Fig. 1. Der Vorspannungswiderstand 70 und die Dioden 72, 74 sowie 76 liefern eine Vorspannung, sodass keine Susseren Vorspannungen angelegt werden müssen. Die Transistoren 78 und 80 verstärken jeweils die Ströme an den Kollektoren der Transistoren 12 und 14 und übertragen diese an die Basis der Transistoren 24 und 32. Die in Kollektorschaltung betriebenen Transistoren 78 und 80 bewirken eine Vergrösserung der Stromverstärkung des Verstärkers im Vergleich mit der Stromverstärkung des Verstärkers 10, sodass zur Ansteuerung weniger Strom erforderlich ist, der über die Klemmen 44 und 46 zugeführt wird. Daraus ergibt sich, dass ein Spannungsabfall aufgrund des Innenwiderstands der ansteuernden Stufe die Verstärkung der Eingangsspannung nicht wesentlich bzw. ungünstig beeinflusst. Damit sind die Verstärker zur genauen Verstärkung von Gleichspannungskomponenten geeignet, wie sie z.B. in digitalen Voltmetern benötigt werden, die Analog-Digitalwandler für Signale mit gegenläufig geneigten Flanken verwenden.

Vorausstehend wurde ein Wandler für ein symmetrisches in ein asymmetrisches Signal beschrieben, der sehr einfach in Äonolithisch integrierter Schaltkreisform herstellbar ist.

- 18 - Dieser

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Dieser Wandler liefert eine symmetrische Last für die Kollektoren der Transistoren des Differenzverstärkers. Dadurch haben Änderungen der Amplitude der VersorgungS7 spannung und auch temperaturabhängige Änderungen der Spannungsamplitude im aktiven Lastteil des Wandlers gleichen Einfluss auf die Kollektorspannung der in Differenzschaltung betriebenen Transistoren, wodurch die einem Differenzverstärker an sich zukommende Fähigkeit der Gleichtaktsignal-Unterdrückung weiter verbessert wird und die Wirkungsweise der Wandlerschaltung von solchen Signalen nicht beeinflusst wird. Somit ist die eingangsseitige Versetzungsspannung bzw. der Versetzungsstrom im wesentlichen unabhängig von der Temperatur. Bei einer Ausführungsforia gemäss Fig. 2 in einer monolithisch integrierten Form ist die eingangsseitige Versetzungsspannung in der Grössenordnung kleiner als 0,5 Millivolt, wogegen, der Driftstrom weniger als 1 Mikrovolt pro Grad C ist.

Die Verstärkungsschaltung gemäss Fig. 2 hat eine Spannungsverstärkung in der Grössenordnung von 100.000 und eine Grenzfrequenz bei der Verstärkung 1 von 1 ΜΗζτ Die Frequenz-Kompensationskondensatoren 82 und 84 liegen in der Grössenordnung von 5 pF, wogegen der Strom I» einen Wert von etwa zwei yuH hat, da die Schaltungskonfigurationden Miller-Effekt verwertet zur Vergrösserung der äquivalenten Kapazitäten. Auf diese Weise ist es möglich mit den Schaltungen gemäss Fig. 1 und 2 eine asymmetrische Ausgangsspannung zu schaffen, ohne damit die Unterdrückungsfähigkeit der Gleichtaktsignale zu verschlechtern, die einem Differenzverstärker eigen ist. Obwohl die Schaltung unter Verwendung eines Differenzverstärkers beschrieben wurde ist es auch möglich, symmetrische Systeme anderer Schaltungstypen in ein asymmetrisches Systen umzuwandeln.

- 19 - Patentansprüche

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Claims (8)

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1. Wandler von einem symmetrischen auf ein asymmetrisches System, um die an dem symmetrischen Ausgang eines Differenzverstärkers auftretenden symmetrischen Signale in ein asymmetrisches Signal am Ausgang des Wandlers zu transformieren, wobei von einer ersten Stromversorgungsklemme aus ein Potential einer ersten Amplitude und von einer zweiten Stromversorgungsklemme aus ein Potential einer zweiten Amplitude angelegt wird und an die erste Stromversorgungsklemme eine erste Stromquelle angeschlossen ist, mit der die Steuerelektrode eines elektronischen Elementes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker über eine dritte Klemme (34) mit einem Vorspannungspotential beaufschlagbar ist, dass eine zweite Stromquelle (36) vorhanden ist, die ir.it der ersten Stromversorgungsklemme (20) verbunden ist, dass ein zweites elektronisches Steuerelement (22) mit einer ersten Elektrode mit der ersten Elektrode des ersten elektronischen Steuerelementes (28) verbunden ist und mit seiner Steuerelektrode von dem Vorspannungspotential an der Klemme(34) beaufschlagt ist, dass ein drittes elektronisches Steuerelement (30) mit seiner ersten Elektrode an der ersten Elektrode des ersten elektronischen Steuerelementes (28) angeschlossen ist und an der Steuerelektrode von dem Vorspannungspotential beaufschlagt ist, dass ein viertes elektronisches Steuerelement (24) mit einer ersten Elektrode am

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Bezugspotential (41) und mit einer zweiten Elektrode an der ersten Stromquelle (26) liegt, wobei die Steuerelektrode dieses vierten elektronischen Steuerelementes mit der zweiten Elektrode des zweiten elektronischen Steuerelementes (22) und mit der ersten Ausgangsklemme des "Differenzverstärkers verbunden ist, und dass ein fünftes elektronisches Steuerelement (32) vorhanden ist, das mit einer.ersten Elektrode an der Stromversorgungsklemme (20) liegt und mit einer zweiten Elektrode an die zweite Stromversorgung (36) sowie an die Ausgangsklemme (39) des Wandlers angeschlossen ist, wobei die Steuerelektrode an der zweiten Elektrode des dritten elektronischen Steuerelementes (30) liegt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, vierte und fünfte elektronische Steuereinrichtung (24, 28, 30) aus Transistoren eines ersten Leitfähigkeitstyps besteht, und dass die zweite und dritte elektronische Steuereinrichtung (22, 30) aus Transistoren eines zweiten Leitfähigkeitstyps besteht.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine sechste elektronische Steuereinrichtung (38) vorhanden ist, deren zweite Elektrode mit der Stromversorgungsklemme (20) verbunden ist und deren Steuerelektrode an der Ausgangsklemme (39) des Wandlers liegt, und dass eine dritte Stromquelle vorhanden ist, die mit der ersten Elektrode des sechsten elektronischen Steuerelementes verbunden ist und andererseits an dem Bezugspotential (41) liegt.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste elektronische Steuereinrichtung (38) ein Transistor des ersten Leitfähigkeitstyps ist.

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5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren des ersten Leitfähigkeitstyps (24, 28, 32, 38) bipolare NPN-Transistoren sind, und dass die Transistoren des zweiten Leitfähigkeitstyps (22, 30) bipolare PNP-Transistoren'sind.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und die Steuerelektrode der elektronischen Steuereinrichtungen dem Emitter, dem Kollektor und der Basis der bipolaren Transistoren entsprechen.

7. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein siebter Transistor (78) vorhanden ist, der mit einer ersten Elektrode an der Steuerelektrode der vierten elektronischen Steuereinrichtung (24) liegt und mit seiner Steuerelektrode an der zweiten Elektrode der zweiten elektronischen Steuereinrichtung (22) angeschlossen ist, wobei die zweite Elektrode dieses Transistors an der Stroinversorgungsklemme (20) liegt.

8. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (84) die Steuerelektrode der siebten elektronischen Steuereinrichtung (78) mit der zweiten Elektrode der vierten elektronischen Steuereinrichtung (24) verbindet.

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